智慧河流体系构建及生态评估管理实现

马兴冠，高春鑫，冷杰雯，刘雅琴

(沈阳建筑大学辽河流域水污染防治研究所，110168，沈阳)

智慧河流体系构建及生态评估管理实现

马兴冠，高春鑫，冷杰雯，刘雅琴

(沈阳建筑大学辽河流域水污染防治研究所，110168，沈阳)

以创建“智慧城市”的技术为鉴创建“智慧河流”的管理体系。“智慧河流”以数字信息、物联网和云计算等信息化手段为技术支撑，以智慧化生态体系为评估标准，分析“智慧河流”的技术支撑和管理模式，阐述“智慧河流”管理优势：可以实现对流域信息不间断地实时传送和分析，并且依据健康河流的生态标准对河流的生态状况进行自我评估、自我分析诊断、自我调度修复。“智慧河流”管理体系可以克服现有河流管理模式单一化弊端。

智慧河流；生态评估；智慧管理

一、现代智慧管理理念的发展思路

2008年，IBM首次提出了 “智慧地球”的理念并将“智慧”引入现代化生活管理中。当时“智慧地球”作为一个智能项目被世界各国视为振兴经济的重点。美国、欧盟、日本、韩国、新加坡等陆续提出了“智慧城市”的概念（“智慧城市”是以网络信息为基础的城市信息体系，即综合运用地理信息系统、全球定位系统、遥感系统、宽带网络、多媒体、虚拟仿真及物联网和云计算等技术，对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监管和辅助决策服务的技术系统）。随着时任国务院总理温家宝发表 《让科技引领中国可持续发展》的讲话，我国“智慧城市”建设形成热潮。目前上海、天津、无锡、深圳、沈阳、武汉、成都等地建立RFID（物联网）产业园区，期望能率先发展物联网产业，在“智慧城市”建设中走在前列。

将“智慧”引入现代化生活中，其目的在于让现代化管理体系本身拥有思考、分析、探求真理的能力。在水生态环境遭到严重破坏并且多国、多城市、多方面引入“智慧”管理背景下，“智慧河流”的理念尚未广泛受到人们的重视。本文以 “智慧城市”为鉴，以其较为成熟的构建技术和管理模式为参考，提出“智慧河流”的概念并分析“智慧河流”的支撑技术和管理模式，以此创建能够自我监测评估、诊断分析、调度修复的“智慧河流”。

二、“智慧河流”内涵及外延

“智慧河流”是以数字信息、物联网和云计算等信息化手段为技术支撑，以智慧化生态体系为评估标准，实现对流域信息不间断地实时传送和分析，依据健康河流的生态标准对河流的生态状况进行自我评估、自我分析诊断、自我调度修复的智慧管理功能体系。

让河流本身拥有智慧管理能力，就像人体拥有受到病毒侵害时能自动启动免疫系统对自身机体进行调节的能力一样，我们正是要通过“智慧河流”的体系来实现河流的这一功能。当水量、水质、植被等河流组织遭到破坏时，必定引起河流环境容量、生态净化等河流器官功能的下降。这时，智慧管理系统就可充当河流机体的监测、调节和控制的综合系统，实现河流机体本身的自我调节，保证河流持续的健康生态状况。

“智慧河流”系统除了可实现河流的自我管理外，还可以实现河流信息的集中化、易获取化和可参与化。通过计算机技术对河流信息的收集和处理，便于获取和管理河流信息，也便于公众了解与其生活息息相关的水体质量信息。

三、“智慧河流”主要技术支撑

1.数字河流

“数字河流”作为“智慧河流”的一部分，主要作用是完成信息数据收集、积累和传递的基础工作。在河流数字化阶段，主要关注的是河流生态信息的采集和传递。具体来说，“数字河流”就是一个可以覆盖整个流域的无缝信息模型，把分散在河流各段（各时段、各河段）的各类信息按河流的地理坐标组织起来，这样既能体现流域中的河道、水质、水量、防洪等各类信息的相互关系，又便于结合地理坐标掌握并处理管理流域变化的信息。“数字河流”以文本形式提供数据，按表现形式可以分为信息点和二维数字流域平面 （包括流域二维地图和遥感影像图等），达到了整个流域相关资料的数字化、地理化和可视化效果。

2.物联网

物联网即通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这一概念于2005年“信息社会世界峰会”上发布的 《ITU互联网报告2005：物联网》正式提出。但早在1999年，中国科学院就开始了相关研究并提出了相关概念，当时称之为“传感网”。具体来说，物联网在“智慧河流”中的应用就是把感应器嵌入电网、市政管网、桥梁、河道、供水系统、大坝等各种物体中，并且全部被连接成可相互通信的传感网。按照河流数据的采集、控制和安全防护的功能区分，可将物联网分为智慧传感网、智慧控制网和智慧安全网。智慧河流的传感网将各类传感器采集到的数据和信息发送到数据中心；智慧河流的控制网依据采集到的实时信息，进行数据的处理和分析，再依据分析结果和规则预案对各类物联设施进行远程控制；智慧河流的安全网负责整个物联网中传感和控制信息的安全连接，保证“智慧河流”的传感网和“智慧河流”的控制网处于对授权用户开放、对非授权用户完全封闭的状态，以防止非法侵入和控制。物联网能够实现计算机与计算机、人与计算机、人与人的互联互通，充分发挥人与计算机各自的优点。

3.云计算

云计算是以互联网为载体,利用虚拟化等手段整合大规模分布式可配置的网络、计算、存储、数据、应用等计算资源,使其以服务的方式提供给用户,满足用户按需使用的计算模式。其具有整合资源按需扩展的意义,利用虚拟化技术,将物理上分散的、来自不同数据中心的物理资源“整合抽象”成逻辑上集中的动态、可伸缩的虚拟资源,使其能够有效分配和按需扩展。这种计算模式给大众提供充分参与的机会，一切能够联网的设备都能利用互联网实现位置透明、无所不在的访问。用户能够在不直接购买复杂软件和硬件的情况下,最大限度地利用网络获取所需的计算力。通过云计算，人类对河流信息的获取和管理可以更加快捷、方便。

四、“智慧河流”生态评估管理系统的实现

“智慧河流”生态评估管理系统主要分为智慧管理层和生态评估层。其管理过程为在河流、河道整体上利用卫片、航片遥感等手段对河流、河道整体进行检测，再将水文监测站的智能控制系统和安装在河流的生态信息无线传感器数据汇合，运用智慧管理平台对河流生态状况进行评估。智慧河流管理过程为结合遥感传感，RS-GIS-GPS技术的智慧监测评估、智慧诊断分析、依据生态评估体系的自我调度修复、修复后再评估的循环智慧管理，如图1所示。这种持续监控、持续评估、持续修复的智慧管理可以适应复杂、高度不确定性、非结构化的流域综合管理需要，能够快速发现河流生态环境变化，及时修复遭到破坏的河流水生态环境，维持生态河流的健康性和持久性。

在整个“智慧河流”生态评估管理过程中，河流信息的诊断、水量的调节和水环境的修复依据皆是“智慧河流”的生态评估体系，也是整个管理过程的核心。对“智慧河流”的生态评估指标体系概念模型基于生态环境、生物多样性、生态功能、生态压力4个方面。评估体系分为3个层次，共28个指标，其相互层次关系如表1所示。表l中：①生态环境指标直接反映河流生态环境健康状况，可以通过水文、河道地貌和环境质量3个方面表征；②生物多样性指标反映河流所处流域动物和植物的种类及丰富度，可以从生态系统多样性、物种多样性和植被覆盖率3个方面梳理；③生态功能指标反映河流自身功能提供给人类的服务，可以从净化功能和资源功能2个方面影响考虑；④压力指标反映人类社会废物排放对河流流域的直接影响及流域所处的人类社会经济系统的相关属性，包括河岸稳定性和河口环境压力。

五、结论与展望

1.明确提出“智慧河流”的概念

本文明确提出了 “智慧河流”这一概念，旨在利用数字信息、物联网和云计算等信息化工具，实现对流域自身生态状况的自我评估、自我分析诊断、自我调度修复的智慧管理功能体系。

2.初步构建“智慧河流”生态评估管理体系

我国北方河流基本呈现汛期洪、非汛期涝的季节性，因此，河流的径流和水质变化幅度极大。但监控措施却一成不变，即定时定点的监控方案。这种时间间隔基本不变，检测地位基本不变的监控方案不能很好地适应我国北方河流的季节性，达不到及时了解河流变化的目的。“智慧河流”的智慧监控可依季节性变化而改变检测方案，可实现实时检测、诊断、调度、修复、再检测的循环自我调节功能。“智慧河流”的管理模式同时也可实现统观的把握，将河流的分段管理和市政管网的铺设结合到一起，克服片面治理和治理效果不持久的弊端。

图1 智慧河流生态评估管理结构图

3.展 望

当今，各方面技术都可以为“智慧河流”生态评估管理体系提供足够的技术支撑，完全可以实现“智慧河流”的管理模式。在水生态遭到严重破坏、河流方面缺少有效管理手段的今天，“智慧河流”管理模式必将成为今后河流管理的发展方向，成为流域管理者的主要管理手段。

表1 生态评估体系

现有河流自动化调度系统皆为被动执行系统的人为控制指令，缺少河流自身调控的智慧性，大多数数据依靠人为的判断、分析进而人为地给出命令且数据利用率低、综合分析能力差，未能充分发挥数据在为人类河流管理中可贡献的最大作用。“智慧河流”采取的大多数数据来自河流智能系统自身监测进而诊断调控、少数数据（如生物种类、多样性等）人为参与的方案，主要利用信息化管理技术对河流进行实时生态监控、生态评估和有效调控、合理分配水资源，使河流达到最佳的生态状况。

在此基础上可开发计算机软件和APP，方便管理人员操控管理和大众参与。通过云计算等信息手段提升广大群众对河流信息的获取能力。大众通过使用手机软件就像了解天气状况一样了解与大众生活质量息息相关的引用水质量、河流鱼量等，为大众生活提供便利信息。

[1]王淑燕．李村河生态整治对策及适用技术的研究［D］．青岛理工大学，2010．

[2]李德仁,姚远,邵振峰.智慧城市的概念、支撑技术及应用 [J].工程研究——跨学科视野中的工程，2012(4).

[3]李晓辉.云计算技术研究与应用综述[J].电子测量技术，2011（7）.

[4]李映红.河流工程的责任伦理与实践智慧[J].江西社会科学,2014（17）.

[5]张永民.解析智慧技术与智慧城市[J].中国信息界，2010（11）.

[6]何云,等.关于河流的“生态化和智慧化”治理对策的思考[J].中国发展,2014(6).

[7]居阅时,周萌,刘灵珊.河流文化考验城市建设的智慧[J].中国国情国力，2015(8).

责任编辑 杨 轶

Creation of Smart River System and management for ecological assessment

Ma Xingguan,Gao Chunxin,Leng Jiewen,Liu Yaqin

Management system of Smart River System can be established with the technology of creation of“smart cities”.The paper summarizes the advantages of Smart River System in terms of technical support and management model.With the adoption of information technology and tools such as digital data,Internet of things (IoT)and cloud computing as technical support and intelligent ecological system as evaluation standards,the system helps to realize constant and real-time data transformation and analysis,and make self-evaluation and analysis of river ecosystem for self-recovery according to ecological standard of a healthy river system.

Smart River;ecological assessment;smart management

TP393

B

1000-1123（2016）12-0005-03

2016-04-20

马兴冠，教授，从事水污染控制理论与技术研究。

国家水体污染控制与治理科技重大专项——河流主题浑河流域沈抚段水生态建设与功能修复技术集成与示范课题（2014ZX07202—011）。